隨著人工智能對(duì)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響，各國(guó)積極推進(jìn)中小學(xué)階段人工智能教育與人才培養(yǎng)。

2017 年，國(guó)務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程 [1]。隨后，教育部在 2017 年新修訂的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，以選擇性必修的形式設(shè)置了“人工智能初步”模塊，強(qiáng)調(diào)學(xué)生應(yīng)了解人工智能的發(fā)展歷程及概念，能描述典型人工智能算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單智能系統(tǒng)，從而增強(qiáng)利用智能技術(shù)服務(wù)人類發(fā)展的責(zé)任感等。

2019 年初，教育部啟動(dòng)了義務(wù)教育課程修訂工作，進(jìn)一步在初中和小學(xué)階段將人工智能教育內(nèi)容納入《信息科技》課程中。在此戰(zhàn)略布局的推動(dòng)下，我國(guó)中小學(xué)人工智能教育發(fā)展進(jìn)入快車道，各省市區(qū)和各級(jí)各類學(xué)校積極開(kāi)展人工智能課程。以深圳市為例，市教育局遴選一批人工智能教育試點(diǎn)學(xué)校，探索形成政府與行業(yè)協(xié)同促進(jìn)中小學(xué)人工智能教育發(fā)展的機(jī)制。在學(xué)校層面，中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)組建了不同專業(yè)背景的專職教師，形成了縱向分層次、橫向跨學(xué)科的人工智能課程體系，涵蓋機(jī)器人、數(shù)據(jù)挖掘、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、無(wú)人駕駛等 20 余門課程。

2018 年 5 月，美國(guó)相關(guān)行業(yè)組織與其計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)聯(lián)合成立工作組，啟動(dòng)美國(guó) K-12 人工智能教育行動(dòng)[2]。該行動(dòng)的主要任務(wù)是為美國(guó)中小學(xué)人工智能教育確立指導(dǎo)方針，開(kāi)發(fā)各類人工智能教學(xué)資源并建立開(kāi)放型開(kāi)發(fā)社區(qū)。

2019 年 8 月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)下屬的計(jì)算社區(qū)聯(lián)盟發(fā)布《未來(lái) 20 年美國(guó)人工智能研究路線圖》，提出基于國(guó)家人工智能基礎(chǔ)設(shè)施重構(gòu)人工智能勞動(dòng)力，重點(diǎn)建設(shè)各級(jí)人工智能課程并向中小學(xué)教師提供培訓(xùn)，通過(guò)市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)和激勵(lì)等措施支持中小學(xué)教師開(kāi)展人工智能課程[3]。近年來(lái)，聯(lián)合國(guó)教科文組織也致力于支持會(huì)員國(guó)利用人工智能技術(shù)以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，即確保包容和公平的優(yōu)質(zhì)教育，讓全民終身享有學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)[4]。為此，聯(lián)合國(guó)教科文組織建立了“人工智能與未來(lái)學(xué)習(xí)”等項(xiàng)目，發(fā)布了利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn) 2030 年教育議程的重要文件《北京共識(shí)—人工智能與教育》。該文件涉及智能時(shí)代的教育政策規(guī)劃、教育管理和供給、教學(xué)教師、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)評(píng)估等多方面。該組織同期還發(fā)布了《人工智能與教育：政策制定者指南》，為教育領(lǐng)域決策者提供了具體可行的政策建議。

雖然世界各國(guó)與相關(guān)國(guó)際組織都在積極倡導(dǎo)中小學(xué)人工智能教育，但是當(dāng)前中小學(xué)人工智能教育也面臨著諸多困難和挑戰(zhàn)[5]。首先，在中小學(xué)階段，人工智能課程定位仍然較為模糊。由于人工智能學(xué)科涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，并且本身處于快速發(fā)展階段，中小學(xué)教育管理者與教師普遍缺乏對(duì)人工智能學(xué)科的清晰認(rèn)識(shí)，也容易將其與編程教育、創(chuàng)客教育和機(jī)器人教育等混淆。

其次，當(dāng)前中小學(xué)人工智能教育易陷入太過(guò)注重理論或太過(guò)注重實(shí)踐的兩個(gè)極端。有些課堂教學(xué)照搬人工智能學(xué)科中較為深?yuàn)W和復(fù)雜的理論模型，這些內(nèi)容對(duì)學(xué)生的邏輯和數(shù)理能力均有較高要求，普通學(xué)生很難有深入的認(rèn)知和全面的理解；有些課堂教學(xué)則只片面強(qiáng)調(diào)對(duì)人工智能應(yīng)用的簡(jiǎn)單體驗(yàn)和實(shí)踐，學(xué)生對(duì)人工智能概念和原理的學(xué)習(xí)往往停留在淺層認(rèn)知階段。

另外，人工智能課程目前多以“校本課程”的形式開(kāi)設(shè)，課程體系的龐雜造成了教材和資源的良莠不齊。

總之，當(dāng)前中小學(xué)人工智能教育領(lǐng)域的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，其實(shí)施方式和發(fā)展方向也需進(jìn)一步明確。

針對(duì)中小學(xué)人工智能教育面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，我們提出其實(shí)施的基本途徑。如圖 1 所示，中小學(xué)人工智能教育的核心是培養(yǎng)學(xué)生的人工智能素養(yǎng)，使學(xué)生能夠具備適應(yīng)未來(lái)智能型社會(huì)的基本能力。在此基礎(chǔ)上，確定課程設(shè)計(jì)的基本原則，以構(gòu)建智能系統(tǒng)或智能機(jī)器解決實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向，幫助教師設(shè)計(jì)合理的課堂教學(xué)內(nèi)容。最終，通過(guò)高校專家與企業(yè)聯(lián)合研發(fā)的方式，開(kāi)展多種形式的高質(zhì)量課程資源建設(shè)。

2.1 人工智能素養(yǎng)

中小學(xué)階段的人工智能素養(yǎng)是當(dāng)前學(xué)術(shù)界討論的熱點(diǎn)。美國(guó)麻省理工學(xué)院教授Cynthia Breazeal 認(rèn)為，人工智能素養(yǎng)應(yīng)該包括計(jì)算思維、人工智能核心概念和設(shè)計(jì)思維。其中計(jì)算思維包括算法、分解、模式識(shí)別和抽象；人工智能核心概念包括感知、表示與推理、機(jī)器學(xué)習(xí)、人機(jī)交互和社會(huì)影響；設(shè)計(jì)思維包括同理心、定義問(wèn)題、構(gòu)思概念、設(shè)計(jì)原型和測(cè)試驗(yàn)證。中央電化教育館提出的《中小學(xué)人工智能技術(shù)與工程素養(yǎng)框架》指出，人工智能素養(yǎng)應(yīng)包括人工智能與人類、人工智能與社會(huì)、人工智能技術(shù)、人工智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，并需要依據(jù)“理解人工智能技術(shù)原理、制定解決人工智能問(wèn)題的方案并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)、溝通與協(xié)作”三個(gè)實(shí)踐原則衡量學(xué)生的人工智能技術(shù)與工程素養(yǎng)。

在中小學(xué)階段，人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)也不必依賴獨(dú)立學(xué)科進(jìn)行，可以同其他學(xué)科主題和待解決問(wèn)題進(jìn)行結(jié)合。人工智能素養(yǎng)同時(shí)也可以作為一種媒介，讓不同教育背景和技術(shù)水平的教師都有自信和動(dòng)力把人工智能知識(shí)帶到其課堂上。另外，也要注重對(duì)計(jì)算思維和系統(tǒng)思維的培養(yǎng)，使學(xué)生能夠辯證地看待人工智能技術(shù)帶來(lái)的影響，同步形成科學(xué)合理的人工智能倫理與道德觀念。

2.2 人工智能課程設(shè)計(jì)原則

以培養(yǎng)學(xué)生的人工智能素養(yǎng)為導(dǎo)向，中小學(xué)人工智能課程的設(shè)計(jì)也應(yīng)遵循一些基本原則。課程設(shè)計(jì)可以總體上依據(jù) 4P（Projects, Passions, Peers and Play）原則[6]。

在項(xiàng)目（Projects）維度，可以積極探索新想法與新項(xiàng)目原型，通過(guò)想象—?jiǎng)?chuàng)造—游戲—分享—反思—再想象形成“創(chuàng)意螺旋”，以迭代改進(jìn)的方式設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)效果最佳的項(xiàng)目。

在熱情（Passions）維度，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的熱情和興趣，鼓勵(lì)其投入更長(zhǎng)的時(shí)間和努力，積極面對(duì)項(xiàng)目中的困難并堅(jiān)持完成。

在同伴（Peers）維度，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的社會(huì)屬性，學(xué)習(xí)伙伴通過(guò)共同關(guān)心的項(xiàng)目建立合作并分享想法，強(qiáng)調(diào)同伴互動(dòng)是此過(guò)程中的核心要素。

在游戲（Play）維度，學(xué)習(xí)活動(dòng)可以包含游戲化元素，通過(guò)嘗試新事物、補(bǔ)充新材料并探索思維邊界，在游戲化學(xué)習(xí)中對(duì)項(xiàng)目成果進(jìn)行迭代改進(jìn)。

在 4P 原則的基礎(chǔ)上，中小學(xué)人工智能課程的設(shè)計(jì)可以分為四步，即介紹人工智能概念、體驗(yàn)人工智能技術(shù)、討論人工智能影響、完成人工智能項(xiàng)目。

具體而言，第一步介紹人工智能概念，應(yīng)以一種適合該學(xué)段和學(xué)生年齡的方式，講授人工智能基本概念、算法與工作機(jī)制。比如通過(guò)簡(jiǎn)單易懂的解釋和游戲向?qū)W生闡釋算法是如何工作的。

第二步體驗(yàn)人工智能技術(shù)，則主要通過(guò)同現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)例交互以深化對(duì)人工智能概念的理解。體驗(yàn)方式可以主要分為黑箱演示和白箱演示，黑箱演示展示了人工智能的某些特殊能力，讓學(xué)生體驗(yàn)人工智能是什么，以及人工智能可以做什么。對(duì)于學(xué)生而言，黑箱演示通常更具吸引力但無(wú)法展示其內(nèi)部工作原理。白箱演示可以展示人工智能內(nèi)部工作原理和部分細(xì)節(jié)，比如數(shù)據(jù)處理的過(guò)程與使用的算法等。然而使用白箱演示時(shí)，學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計(jì)需要更為簡(jiǎn)單。

第三步討論人工智能影響，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生思考和討論人工智能應(yīng)用對(duì)社會(huì)帶來(lái)的正面與負(fù)面影響，以及如何去增進(jìn)正向影響同時(shí)減少負(fù)面影響。

第四步完成人工智能項(xiàng)目，教師需要提供必要的工具包和技術(shù)支持，以實(shí)際生活中的問(wèn)題作為驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中完成人工智能項(xiàng)目，并及時(shí)開(kāi)展項(xiàng)目評(píng)價(jià)與總結(jié)。

2.3 人工智能課程資源建設(shè)

基于人工智能課程設(shè)計(jì)的基本原則，一系列的中小學(xué)人工智能課程資源也在持續(xù)建設(shè)中。這些課程資源的內(nèi)容選擇和活動(dòng)設(shè)計(jì)貼近學(xué)生日常生活，相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)往往只需計(jì)算機(jī)和瀏覽器就可輕松實(shí)現(xiàn)。

美 國(guó) 麻 省 理 工 學(xué) 院 RAISE（Responsible AI for Social Empowerment and Education）項(xiàng)目，基于跨學(xué)科、迭代、循證的研發(fā)過(guò)程，為學(xué)生在課堂與課后學(xué)習(xí)人工智能提供了大量開(kāi)放的學(xué)習(xí)模塊和單元[7]。

按照學(xué)段，課程資源分為幼兒園至二年級(jí)、三至五年級(jí)、六至八年級(jí)，以及九至十二年級(jí)四個(gè)階段。如圖 2 所示，這些由麻省理工學(xué)院及其合作團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的人工智能素養(yǎng)資源模塊，在知識(shí)共享許可協(xié)議下向普通學(xué)習(xí)者免費(fèi)開(kāi)放。資源模塊分別面向教師和學(xué) 生，涵 蓋 了 課 程 資 源、演 示 系統(tǒng)與視頻、線上教師培訓(xùn)課程、商業(yè)或開(kāi)源軟件等。此外美國(guó)人工 智 能 促 進(jìn) 協(xié) 會(huì)（Associationfor Advancement of ArtificialIntelligence，AAAI）與 人 工 智能 教 育 發(fā) 展 論 壇（Symposiumon Educational Advances in Artificial Intelligence，EAAI）也組織和實(shí)施了“模范人工智能作業(yè)”項(xiàng)目[8]，每年均會(huì)評(píng)審并發(fā)布中小學(xué)人工智能教育的最佳作業(yè)設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)十多年的積累，已經(jīng)逐漸形成了由同行評(píng)審、最大且免費(fèi)開(kāi)放的人工智能作業(yè)檔案館。

在國(guó)內(nèi)，北京師范大學(xué)也與騰訊等項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)依托教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人等項(xiàng)目，持續(xù)研發(fā)針對(duì)不同學(xué)段的系列中小學(xué)人工智能課程資源[9]。系列課程面向小學(xué)、初中和高中不同學(xué)段：小學(xué)課程以直觀和形象為基本設(shè)計(jì)理念，通過(guò)體驗(yàn)和簡(jiǎn)單交互使學(xué)生建立對(duì)人工智能基本概念的初步理解；初中課程適用于具有編程基礎(chǔ)的學(xué)生，體驗(yàn)人工智能模型的基本原理和搭建過(guò)程；高中課程逐步引入算法基本思想，學(xué)生可以通過(guò)模型調(diào)參等實(shí)踐環(huán)節(jié)深入了解人工智能技術(shù)。如圖 3 所示，系列課程實(shí)踐部分在騰訊扣叮平臺(tái)免費(fèi)向全國(guó)中小學(xué)教師與學(xué)生開(kāi)放使用。

基于現(xiàn)階段中小學(xué)人工智能教育的現(xiàn)狀以及其具體實(shí)施途徑，我們提出以下幾點(diǎn)發(fā)展建議。

3.1 人工智能教育基礎(chǔ)研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)

如何在基礎(chǔ)教育階段培養(yǎng)人工智能人才，仍然是當(dāng)前教育領(lǐng)域與人工智能領(lǐng)域需要深入研究和探索的重要問(wèn)題。中小學(xué)階段的人工智能教育，一方面應(yīng)該讓學(xué)生掌握人工智能學(xué)科中的重要原理和思想，接觸本領(lǐng)域最新成果，但同時(shí)也不能急于將深?yuàn)W難懂的最新算法和模型搬進(jìn)課堂，陷入盲目“求新”的誤區(qū)中。同時(shí)，需要有針對(duì)性地研究每個(gè)學(xué)段學(xué)生在人工智能學(xué)科中的認(rèn)知能力和認(rèn)知規(guī)律，從而更好地規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)。另外，不同學(xué)段人工智能課程內(nèi)容之間應(yīng)強(qiáng)調(diào)橫向聯(lián)系，其教學(xué)目標(biāo)要有明顯的區(qū)分和承接，使學(xué)生的人工智能素養(yǎng)能夠持續(xù)提高。

3.2 加強(qiáng)高質(zhì)量人工智能課程資源建設(shè)

與國(guó)外相比，我國(guó)中小學(xué)人工智能課程資源建設(shè)尚沒(méi)有形成行業(yè)專家、教研人員和資源開(kāi)發(fā)者的緊密合作。由于高質(zhì)量中小學(xué)人工智能課程資源對(duì)建設(shè)者的專業(yè)性有較高要求，應(yīng)探索多方合作的科學(xué)研發(fā)模式。例如，教研人員和平臺(tái)開(kāi)發(fā)者應(yīng)該在資源建設(shè)中發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，建立多元參與、共建共享的人工智能課程建設(shè)模式。人工智能課程資源免費(fèi)向已開(kāi)設(shè)或有意開(kāi)設(shè)人工智能課程的一線教師提供，同時(shí)確保實(shí)踐平臺(tái)的長(zhǎng)期穩(wěn)定與易于實(shí)施。另外，鼓勵(lì)資源建設(shè)采用迭代改進(jìn)模式，將最初設(shè)計(jì)的課程資源在課堂中反復(fù)檢測(cè)效果，根據(jù)一線反饋持續(xù)改進(jìn)，最終形成個(gè)性化的優(yōu)質(zhì)課程資源。

3.3 持續(xù)向一線教師提供支持

由于人工智能屬于新興學(xué)科，目前中小學(xué)信息技術(shù)或其他相關(guān)學(xué)科的教師，普遍沒(méi)有人工智能學(xué)科的教育背景，缺少系統(tǒng)和完整講授人工智能課程的知識(shí)儲(chǔ)備和必要能力。因此，需要鼓勵(lì)高等院校，特別是師范類院校，積極培養(yǎng)相關(guān)師范人才，制定政策引導(dǎo)優(yōu)秀畢業(yè)生進(jìn)入基礎(chǔ)教育領(lǐng)域從教。更重要地是，需要鼓勵(lì)高校、行業(yè)協(xié)會(huì)、企業(yè)等多方參與人工智能課程教師在職師資培養(yǎng)，鼓勵(lì)在有條件的地區(qū)和學(xué)校，開(kāi)展人工智能示范課程建設(shè)與線上線下多種形式的教研活動(dòng)，從而提高教師隊(duì)伍的專業(yè)素養(yǎng)和教學(xué)能力。

來(lái)源丨《人工智能》

作者丨盧宇 宋佳宸